振動技術在金屬材料鑄造成形中的應用與發展

王成軍，韓董董，陳 蕾，蔣遠遠

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

振動技術在金屬材料鑄造成形中的應用與發展

王成軍，韓董董，陳 蕾，蔣遠遠

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

介紹了振動技術在鋁、銅、鐵等金屬材料鑄造成形中的應用研究現狀，就振動類型和振動對鑄造成形的機理作了闡述，分析了施加振動對金屬鑄造成形時金屬內部組織改善、強度性能提高的原因，指出現有振動技術中存在的不足，介紹了多維振動鑄造機的設計思路和研制進展情況。振動鑄造實踐證實，在金屬材料的鑄造成形工藝中施加多維振動能明顯改善鑄件的性能，提高鑄造效率，多維振動鑄造機的研制為今后多維振動技術的研究和應用提供參考。

振動；鑄造成形；組織性能；多維振動鑄造機

在金屬鑄造成形時，施加不同條件，所得到的鑄件晶粒細化程度也不同，致使鑄件使用性能良莠不齊。早在140多年前，學者切爾諾夫通過對鋼錠成形時施加振動，得到了晶粒細化的鋼錠鑄件[1]。之后，振動對鑄造成形的影響也被越來越多的學者關注。隨著振動技術的發展，振動在很多方面得以應用，如用于擠壓成形、振動焊接、振動消除應力及鑄造成形工藝等方面[2]。經過各國學者對各種純金屬和金屬合金的研究，振動理論及技術也得到較快的發展，但目前仍存在很多不足之處有待進一步改進。

1 金屬材料鑄造成形中常用振動方式

各國學者對金屬材料鑄造成形中常用的振動方式進行了研究，主要可以分為機械振動、電磁振動和超聲波振動等。機械振動頻率一般小于200 Hz，最典型的機械振動為偏心凸輪帶動鑄型振動；電磁振動頻率變化范圍較大，若使用變頻器，頻率可達到2 kHz；超聲波振動按振動方向可分為垂直、水平和旋轉振動，按振動是否連續可分為連續振動和非連續振動，而周期振動和隨機振動屬于非連續振動。大量研究表明，機械振動在工業生產中更容易得到應用和推廣。

2 振動技術在金屬鑄造成形中的研究現狀

近年來國內外學者對振動技術在金屬鑄造等工業領域的應用進行了諸多研究，研究結果表明，在鑄造成形過程中施加振動可以改善鑄件組織、消除內應力。

2.1振動技術在鋁合金鑄造成形中的研究現狀

鋁合金已廣泛應用在機械制造等行業中，隨著工業技術的發展，對鑄造鋁合金的性能要求也越來越高，鋁合金也成為國內外學者重點研究的對象。

LIMMANEEVICHITR等對鋁合金成形進行了研究，觀察在施加振動時鑄件的凝固組織，并與半固態鑄造法相對比，研究振動鑄造是否可以替代半固態鑄造[3]。MALEKSAEEDI等為了研究振動對過濾速率和毛坯密度的影響，通過對亞微米氧化鋁粉施加振動，驗證了壓力注漿成型法[4]。

潘迪等將振動用于ZL101鋁合金鑄造成形中，研究振動對ZL101成形的影響[5]，結果表明，在靜置時，晶粒尺寸較大,α樹枝晶在振動作用下破碎，晶粒變的細小，晶粒錯位難，抗拉強度高。研究結果還表明，隨著頻率的增加，合金內部針孔減少，抗拉強度和伸長率會先增大后趨于平穩。趙忠興等學者利用水模擬實驗，探討了超聲波發生器工具頭對不同直徑的鑄件的影響[6]。分析超聲波對ZL102合金結晶的影響，結果表明，超聲波功率越大，介質點的振動現象越明顯；在不同R值條件下，超聲波產生的效果也不同，當R接近1時，效果最明顯，R越小時，熔體的枝晶越大，細化越不明顯。

2.2振動技術在銅合金鑄造成形中的研究現狀

銅具有導電、導熱、抗腐蝕性能，在電氣、輕工及國防等領域得以應用，同樣在機械制造業中也越來越受關注。

楊志杰等以99.9%的銅為對象，研究了振動對鑄造成形組織的影響[7]，結果表明，在靜置時鑄件內幾乎沒有等軸晶，隨頻率的增大，等軸晶逐漸增多，當頻率為100 Hz時，等軸晶區增大到最大值；當改變振幅時，純銅凝固組織的平均晶粒面積和等軸晶率呈不規律變化，當振幅為10 mm時效果最好；實驗結果還表明，振幅對純銅組織的影響比頻率的作用明顯。易榮喜等針對斜坡振動澆注工藝，研究不同因素對Al4.5Cu4Ce組織的影響[8]。實驗結果表明，當澆注溫度下降時，晶粒尺寸變小，呈球形且變得均勻分布；隨著電壓的增加，晶粒細化程度越大，位置分布越均勻。李軍文等利用Al-0.8%Cu研究超聲波對合金熱裂傾向性的影響[9]。觀察宏觀組織結果顯示，經超聲波處理的Al-0.8%Cu試樣，組織內的晶粒細小，隨處理時間的增加，細化效果越明顯；觀察宏觀斷口顯示，經超聲波處理，熱裂斷口變為細小的等軸晶，減小了熱裂的可能性。

2.3振動技術在鑄鐵鑄造成形中的研究現狀

鑄鐵的工藝性能主要有鑄造性、焊接性和切削性，鑄鐵的熔點低，鐵水流動性好，其鑄造性能優于鋼，因而通常采用鑄造方法制成鑄件使用。

肖伯濤等利用BF-LD-TF型雙向電磁振動臺制備白口鑄鐵和球墨鑄鐵[10]。研究振動對鐵合金成形的影響，研究表明，在施加振動時，振動破壞了凝固過程，在熔體內增加了周期性的“拉力-壓力”，初生奧氏體破碎，初生奧氏體的尺寸與試樣厚度成反比，含量與試樣厚度成正比；實驗結果還表明，厚度較大的試樣在凝固前，振動對液體的作用時間長，使得游離的細小晶粒增多，致使石墨數量增多，且增加了“牛眼狀”組織，減少了碳化物。

董學武等實驗研究了激振頻率對鑄件的鑄造殘余應力的影響[11]。研究結果顯示，不同的激振頻率導致鑄型各個部位的振幅不同，因而消除鑄造殘余應力水平也不同，靜置時，試件有較大殘余應力，而采用鑄型的固有頻率進行振動處理，鑄型各部位的振幅達到最大，降低鑄造殘余應力效果最佳。

李軍文等利用超聲波振動處理裝置對灰鑄鐵熔體施加超聲波，探討石墨形態的變化[12]。實驗結果表明，經超聲波處理過的組織，主要是由粗大的石墨形成，隨處理時間增長，石墨越細小，其硬度及沖擊韌度越高，然而超聲處理時間不宜過長。

2.4振動在金屬鑄造成形中的作用機理

在金屬鑄造充型過程中，由于金屬熔體屬于黏性流體，流動分為層流和紊流，層流只出現在充型結束或流動末端，所以一般認為充型為紊流狀態。增加振動后，隨著振動的增強，導致紊流程度增加；再者，振動本身的周期性會進一步增加紊流速度[13]，因此振動增強，流動性增加，但是，同樣使由振動產生的垂直于流動方向的脈動和紊流附加阻力增大，增加能量損失，當能量損失過大時，流動性會減弱。

在鑄造凝固過程中，施加振動，使金屬液各部位之間的速度產生黏性剪切，使已生成的晶粒破碎，獲得更細的等軸晶；而且，振動使金屬液局部壓力增大，使結晶過冷度增加，增大形核率；其次，金屬液產生的對流，使界面處枝晶斷裂，使析出的晶粒來不及長大，從而形成更多細小的晶粒[2]。在凝固結束后，繼續施加振動，加速金屬內部的原子的振動，可以減少鑄件的殘余內應力，提高鑄件性能。

3 多維振動鑄造機的研制

目前在金屬材料的鑄造成形工藝中使用的振動設備比較單一，如振動消除應力和振動凝固設備，且多數采用單自由度激振模式，振動方向無法控制和調節，而在金屬材料的鑄造成形過程中需根據鑄型的不同采用多維振動，且在不同振動方向上采用不同的振幅、頻率等振動參數，要求各振動參數的調節相對獨立。

安徽理工大學王成軍等在國家自然科學基金等項目的資助下，先后設計了四自由度振動鑄造機、三維并聯振動鑄造機[14-16]等具有多個振動自由度的振動鑄造設備，用于金屬材料的鑄造成形過程。上述多維振動鑄造機可用于金屬材料的砂型鑄造、消失模鑄造、熔模鑄造等鑄造成形工藝中，如砂型振實、振動凝固、鑄件應力消除和落砂等工藝環節。筆者在具有4個振動自由度的多維振動鑄造試驗臺的基礎上利用完全解耦的混聯機構2PRRR-P(2R)開發了更實用的三維并聯振動鑄造機，以同步反向工作的并聯雙振動電機為驅動單元，驅動砂箱沿X,Y,Z3個方向往復振動，并可通過變頻器調節X,Y,Z3個方向的振動幅度、頻率，振動電機通過對稱布置，實現激振力的疊加。三維并聯振動鑄造機具有完全解耦的混聯結構，控制容易、運動精確、可靠性高[14-15]，且成本較低。大量的振動鑄造實踐證實，在鋁合金、鑄鋼、鑄鐵等材料的鑄造成形工藝中對鑄型施加多維振動有利于提高液態金屬的充型能力，提高鑄件的整體力學性能和鑄造效率，降低鑄件廢品率，簡化澆注系統、減少金屬浪費；不足之處在于，在非金屬型鑄造工藝中使用多維振動鑄造機時，若振動鑄造機的振動強度過大，則鑄型易開裂，需改進鑄型設計。

圖1為多維振動鑄造試驗臺，圖2為多維振動鑄造機試驗臺在安徽鑫宏機械有限公司進行現場澆注試驗場景。

圖1 多維振動鑄造試驗臺Fig.1 Multidimensional vibration casting testbed

圖2 多維振動鑄造機及待澆注模型Fig.2 Multidimensional vibration casting and casting model

4 結 語

隨著振動理論和技術的發展，國內外學者對振動技術在金屬鑄造成形中的應用做了大量研究，振動可以改善鑄件組織結構、提高力學性能。通過現場試驗可知，與單自由度振動相比，多維振動能有效提高金屬的鑄造性能、鑄造效率，降低鑄件廢品率，減少鑄造工藝中的金屬浪費，但是當振動鑄造機振動強度過大時，鑄型易開裂。將多維振動應用到金屬材料的鑄造成形中，為今后對多維振動技術的研究和應用提供參考。

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Application and development of vibration technology in metal casting molding

WANG Chengjun，HAN Dongdong，CHEN Lei，JIANG Yuanyuan

(College of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

The current research status of vibration technology in aluminum, copper, iron and other metal materials casting molding are introduced. The types of vibration and the vibration mechanism for casting molding are illustrated as well. The reasons of improving metal internal organization and enhancing strength properties are analyzed when applying vibration on metal casting forming. The existing shortcomings in the vibration technology are pointed out. The design idea and development progress of multidimensional vibration casting machine are introduced. Vibration casting practice shows that applying multidimensional vibration in metal casting forming process can significantly improve the performance and the efficiency of casting. The development of the multidimensional vibration casting machine provides the reference for research and application of multidimensional vibration technology in future.

vibration； casting molding； structure property； multidimensional vibration casting machine

2014-03-08；

2014-03-28；責任編輯：王海云

國家自然科學基金 (51205003)；安徽省高校省級自然科學研究重點資助項目(KJ2012A089)

王成軍(1978-)，男，江蘇漣水人，副教授，博士，主要從事智能機械與機器人、多維振動理論與技術等方面的科研與教學工作。

E-mail:cumt1279@163.com

1008-1542(2014)03-0229-04

10.7535/hbkd.2014yx03003

TQ21

A

王成軍，韓董董，陳 蕾，等.振動技術在金屬材料鑄造成形中的應用與發展[J].河北科技大學學報,2014,35(3):229-232.

WANG Chengjun，HAN Dongdong，CHEN Lei，et al.Application and development of vibration technology in metal casting molding[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(3):229-232.